一般螺旋線體

　　在現(xiàn)代科學(xué)中，螺旋體結(jié)構(gòu)逐漸成為一種極其重要的結(jié)構(gòu)，尤其在生物學(xué)和原子物理學(xué)中。DNA分子結(jié)構(gòu)就是螺旋體結(jié)構(gòu)。在劍鞘匹配的三種形式當(dāng)中，螺旋體與一維直線及二維平面上的圓不同，它還涉及到一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的問(wèn)題。就是說(shuō)它可能是左旋的，也可能是右旋的。一條直線或一個(gè)圓與它在鏡子中的影像完全一樣，而螺旋體卻不同。在鏡中“它們的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化”，影片《路易斯?開(kāi)羅》中的愛(ài)麗斯在看到鏡中的屋子時(shí)曾發(fā)出這樣的感慨。再比如，物理學(xué)中的中微子，以光速運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中始終繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，從某種意義上講，它隨時(shí)間變化在空間描繪出了一個(gè)螺旋線軌道。而反中微子的螺旋線軌道旋轉(zhuǎn)方向則與中微子的剛好相反。

　　在自然界和人們的日常生活中，螺旋線的實(shí)例不勝枚舉。右旋螺旋線傳統(tǒng)的定義是，按順時(shí)針?lè)较蛐�轉(zhuǎn)逐漸向遠(yuǎn)離你的方向旋進(jìn)所形成的螺旋線。螺釘、螺栓和螺母一般都是右旋的。許多螺旋狀結(jié)構(gòu)，比如圓環(huán)形樓梯、螺旋狀糖果器、彈簧、絞合線或電纜中每股細(xì)繩的纏繞方向等等，有的是右旋、有的是左旋。你注意到理發(fā)店門(mén)前紅白相間的招牌是什么旋轉(zhuǎn)方向嗎？

　　在自然界中，螺旋狀還可見(jiàn)諸動(dòng)物的某些部位，如海螺的殼、雄性角鯨的長(zhǎng)牙、人的耳蝸及臍帶等。在植物界螺旋狀更是屢見(jiàn)不鮮，如草本植物的主莖、葉柄、蔓、種子、花、球果、葉子、樹(shù)干等等。當(dāng)松鼠在樹(shù)上爬上爬下時(shí)，它爬過(guò)的路線就是螺旋形的。蝙蝠從巢里出來(lái)后飛行的軌跡也是螺旋形的。在自然現(xiàn)象中，渦流、龍卷風(fēng)都是錐形螺旋的實(shí)例。水通過(guò)下水道入口向下流時(shí)亦呈螺旋形式。如果想了解自然界中更多的螺旋現(xiàn)象，請(qǐng)參看馬丁?伽頓尼所著《奇妙世界》一書(shū)。

　　一個(gè)規(guī)則的螺旋線是環(huán)繞圓柱體表面而形成的曲線，環(huán)繞過(guò)程中必須使之與圓柱體母線的夾角恒定(母線系指在圓柱體表面上與軸平行的直線)，我們稱(chēng)這個(gè)恒定的角為B。不難看出，如果B角為O度，螺旋線就成了一條直線；如果B角為90度，螺旋線就變成了一個(gè)圓。進(jìn)一步分析可以看出，當(dāng)B角在0度至90度之間變化時(shí)，形成的螺旋曲線是一個(gè)以B角為參數(shù)的參數(shù)方程。而上述的直線與圓則是這個(gè)一般空間螺旋曲線的兩個(gè)極限形式。規(guī)則的螺旋曲線必須是曲率與撓度保持不變的螺旋線。滿(mǎn)足劍與鞘相匹配的形狀只有螺旋線及它的兩個(gè)極限形式，前述分析是否可以作為這一結(jié)論的注腳？

　　螺旋線在水平面上的投影顯而易見(jiàn)是一個(gè)圓，如果在垂直于螺旋線軸的方向上投影呢？結(jié)果是一條正弦曲線。于是這里又得出一個(gè)以投影方向?yàn)閰��?shù)的曲線參數(shù)方程，從不同的角度投影，得到不同的投影曲線。事實(shí)上，正弦曲線及其性質(zhì)正是由此巧妙地引入。

　　下面再談一個(gè)有關(guān)螺旋線的而且頗具玄機(jī)的小故事。一個(gè)圓柱形塔，高100米，塔中有一電梯，塔的外表面有一環(huán)形樓梯，環(huán)形樓梯的伸展方向與豎直方向夾角60度恒定不變。塔的直徑是13米。

　　一天，皮特夫婦乘電梯去塔頂?shù)牧送�臺(tái)，他們的兒子湯姆托?皮特從塔外的環(huán)形樓梯上爬上去，當(dāng)湯姆托爬到塔頂時(shí)，他自然是上氣不接下氣了。

　　“你必輸無(wú)疑，我的兒子。”皮特先生說(shuō)，“你要走四倍于我們的距離，而且完全靠雙腳。”

　　“你說(shuō)錯(cuò)了，爸爸。”湯姆托說(shuō)，“我走的距離是你的距離的兩倍。”

　　究竟誰(shuí)說(shuō)得對(duì)？是湯姆托還是他的爸爸？對(duì)于如何求樓梯長(zhǎng)度的問(wèn)題，許多人堅(jiān)持必須要先知道圓柱塔的直徑才行。出乎意料的是，塔的直徑13米這一已知條件在此可以完全不予考慮。

　　為什么圓柱的直徑是個(gè)與環(huán)形樓梯的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)的量呢？盤(pán)繞在塔柱面上的環(huán)形(即螺旋形)樓梯實(shí)質(zhì)上是一個(gè)直角三角形的斜邊，這個(gè)直角三角形的三個(gè)角是60度、30度和90度，高度100米。在這種三角形中，斜邊的長(zhǎng)度是高度(30度角所對(duì)的邊)的兩倍。所以湯姆托是正確的。

　　你可以做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證上述結(jié)論。展開(kāi)一個(gè)硬圓筒或展開(kāi)繞在圓筒上的手紙，你會(huì)意外地發(fā)現(xiàn)，圓筒上的螺旋線變成了平面上一個(gè)直角三角形的斜邊，其長(zhǎng)度與這個(gè)直角三角形卷成的圓柱體的直徑全然無(wú)關(guān)。